Лекция 7.

Общие сведения об электрических схемах тепловозов. Общие принципы конструирования схем.

 

Схема электрических соединений представляет собой графическое изображение электрической системы со всеми связями, необходимыми для её работы в определенных условиях – это называется электрической схемой.

Изображения схем разделяются на три вида:

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ, в которых условно изображены электрические машины или их элементы и те из агрегатов и проводов, которые необходимы для осуществления функционального принципа изображенного узла (системы).

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ, в которых, кроме того, показаны аппараты управления и защиты и переходные соединения в соответствии с монтажем на тепловозе и дана маркировка соединений.

Исполнительные схемы наиболее широко используются при изучении новых систем, монтаже на тепловозе, настройке узлов и отдельных их элементов, при поиске повреждений. Для чтения исполнительных схем необходимо понимать функциональную взаимосвязь узлов, агрегатов, элементов. Разработка исполнительных схем базируется на принципиальных схемах и показывает, как надо исполнять те или иные соединения, чтобы система, узел, комплекс выполняли свое целевое назначение.

МОНТАЖНЫЕ, в которых показаны действительное расположение машин и аапаратов на тепловозе, прокладка проводов и кабелей, их марки и сечения, способы их крепления. Эти схемы составляются только по узлам в соответствии с расположением того или иного оборудования тепловоза и являются по существу узловыми рабочими чертежами, которые необходимы при установке и монтаже электрооборудования на тепловозе.

В России и в большинстве других стран принято вправо от якоря главного генератора (ГГ) располагать узел тяговых электродвигателей (ТЭД) с включенными в их цепь элементами автоматического управления и защиты. Слева от якоря генератора размещают узел его возбуждения и регулирования и далее в том же направлении узел вспомогательного генератора (ВГ) и аккумуляторной батареи (АБ). Крайнюю левую часть чертежа занимает комплекс узлов управления, где показаны: развертка контроллера, цепи питания катушек всех аппаратов, питаемых через контроллер и через автоматы и кнопки управления, элементы взаимосвязи и взаимной блокировки аппаратов.

При изображении схем принято считать все электрические цепи разомкнутыми (нормальными) и в соответствии с этим приняты названия контакторов: «замыкающие» (З) – разомкнутыми, когда катушка аппарата не получает питания, и «размыкающие» (Р) – размыкающиеся при питании катушки током, достаточным для действия электромагнита аппарата.

Для разработки схемы или разбора существующей, необходимо знать назначение, устройство и работу каждого узла и его элементов, функциональную взаимосвязь и условные обозначения, принятые для графического воспризведения различных видов схем.

 

Под электрической схемой (ЭС) единицы подвижного состава принято понимать совокупность установленных на ней электрических машин, аппаратов и проводов (кабелей), их соединяющих. ЭС обеспечивает возможность дистанционного управления дизелем, передачей и иными агрегатами тепловоза, осуществляет их защиту от опасных режимов работы.

Электрическая схема автоматически регулирует ряд параметров силовой установки. У тепловозов с электрической передачей мощности сама передача является частью электрической схемы.

Пол мере развития отечественного тепловозостроения совершенствовались и электрические схемы тепловозов, что связано с появлением не существовавших ранее машин и аппаратов (совершенствованием элементной базы), накоплением опыта проектирования ЭС, а также с изменяющимися требованиями к характеристикам тепловозов.

К изменениям, связанным с совершенствованием элементной базы, относятся:

·        замена ненадёжных и неудобных в обслуживании приборов автоматически вибрационного типа полупроводниковыми устройствами:

- замена регуляторов напряжения СРН и ТРН полупроводниковыми БРН и АРН;

- установка диодов зарядки батареи, которая позволила отказаться от реле обратного тока и контакторов батареи;

·        замена реле времени пневматического типа полупроводниковыми реле времени;

·        введение в схему штепсельных разъёмов между отдельными блоками, между цепями высоковольтных (аппаратных) камер и кабины, облегчающее монтаж и демонтаж схемы, а также позволяющее улучшить звукоизоляцию кабин управления;

·        отказ от использования сильноточных реле, замена их малоточными в цепях управления и контакторами – в остальных цепях (электродвигателей маслопрокачивающего и топливоподкачивающего насосов и т.д.);

·        замена плавких вставок автоматическими выключателями (в основном в цепях управления, освещения и сигнализации, но также и в других цепях: электродвигателя тормозного компрессора и т.д.);

·        объединение реле управления в блоки однотипных реле (ТПРУ), цепи которых соединяются со схемой штепсельным разъёмом;

·        замена невозвратных реле (РЗ, РОП, РМ) с защёлкой на реле с удерживающей катушкой;

·        внедрение комбинированных релейно-полупроводниковых устройств управления (блоки пуска дизеля на ТЭМ7А и некоторых  тепловозах 2ТЭ116;

·        замена релейных схем микропроцессорными (пока осуществлена в порядке эксперимента на отдельных тепловозах); в частности, в локомотивном депо Санкт-Петербург-Варшавский Октябрьской железной дороги несколько лет достаточно успешно эксплуатируется ТЭП70-316, оборудованный вместо релейной схемы микропроцессорным программным устройством «Пилот» (разработчик – ПО «Коломенский завод»).

В области схемных решений отметим:

·        повышение автоматичности работы схемы (прежде всего схемы запуска): введение автоматического контроля времени предпусковой прокачки масла, автоматического разбора пусковых цепей, автоматической прокачки дизеля маслом после его остановки;

·        увеличение количества устройств защиты персонала, дизеля и передачи: внедрение блокировок дверей высоковольтных камер, температурной защиты и т.д.; совершенствование схем ряда защит: противобоксовочной, от повреждения изоляции силовых цепей и т.д.;

·        оборудование односекционных тепловозов устройствами для работы их по системе двух единиц;

·        оборудование маневровых тепловозов устройствами для обслуживания их одним машинистом (без помощника);

·        оснащение тепловозов схемами экстренной остановки дизеля и тепловоза.

Наряду с несомненным прогрессом в области конструирования электрических схем нельзя не отметить отсутствие должной унификации как в области схемных решений (один и тот же алгоритм осуществляется различными схемами), так и в области номенклатуры электрических аппаратов (аналогичные аппараты имеют различную конструкцию). Отсутствует единая система обозначений аппаратов и элементов схем (аналогичные аппараты и элементы имеют различные обозначения). Это связано с тем, что тепловозы выпускались на нескольких локомотивостроительных заводах, не принадлежащих МПС; при этом должного стандарта по электрическим схемам министерством издано не было.

 

Структура электрической схемы тепловоза.

Цепи ЭС тепловоза с электрической передачей подразделяются на высоковольтные и низковольтные.

Высоковольтные цепи включают в себя:

 - тяговый генератор (ТГ);

- тяговые электродвигатели (ТЭД);

- на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока также и выпрямительную установку (ВУ);

- соединяющие их кабели и контакты силовых электрических аппаратов

(на тепловозах 2ТЭ116 и ТЭМ7А также и цепи, связанные с получающими питание от ТГ электрическими машинами – электродвигателями охлаждения ТЭД и теплоносителей дизеля на 2ТЭ116, электродвигателем второго компрессора на ТЭМ7А).  Напряжение в этих цепях может достигать 600 В, они гальванически не связаны с другими цепями тепловоза (на тепловозах с передачей постоянно-постоянного тока – за исключением момента проворота коленчатого вала дизеля); в отличие от всех остальных цепей в них не устанавливают плавких вставок и автоматических выключателей, так как защита их от опасных режимов работы осуществляется при помощи специальных реле (РЗ, РМ). На тепловозах с гидравлической передачей и дизель-поездах высоковольтные цепи отсутствуют.

Низковольтные цепи включают в себя:

-  электродвигатели привода агрегатов дизеля, обеспечивающих его запуск и работу (топливоподкачивающих и маслопрокачивающих насосов);

- цепи управления дизелем и передачей;

- цепи освещения, сигнализации и контрольно-измерительные приборы (кроме амперметра и вольтметра ТГ).

 НВ цепи получают питание при неработающем дизеле от аккумуляторной батареи (АБ), при работающем – от вспомогательного генератора (ВГ), на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока – от стартер-генератора (СТГ).

Схемы электроснабжения низковольтных цепей всех современных тепловозов практически аналогичны. Минусы АБ и ВГ соединены между собой; при остановленном дизеле напряжение ВГ равно нулю и цепи получают питание от АБ; диод заряда батареи (ДЗБ) при этом препятствует замыканию батареи через якорную цепь ВГ. После запуска дизеля получает питание реле (контактор) регулятора напряжения (РН) – полупроводникового блока, питающего обмотку независимого возбуждения ВГ (СТГ) и регулирующего силу тока в ней таким образом, чтобы напряжение ВГ (СТГ) поддерживалось независимо от частоты вращения якоря и нагрузки на постоянном уровне, несколько превышающем напряжение АБ (если напряжение АБ равно 64 В, то 75 В, если 96 В, то 110 В, если 90 В, то 115 В (ЧМЭ3), если 50 В, то 60 В (Д, Д1).

После включения регулятора напряжения потенциал плюса ВГ (СТГ) становится выше потенциала плюса АБ, диод заряда батареи открывается, и низковольтные цепи начинают получать питание от ВГ (СТГ). Одновременно начинается заряд аккумуляторной батареи через сопротивление заряда батареи СЗБ, которое ограничивает силу зарядного тока (чрезмерный зарядный ток приводит к выкипанию электролита элементов АБ).

Данная схема обладает очевидным недостатком: при получении низковольтными цепями питания от АБ в цепь этого питания входит СЗБ, что обуславливает бесполезный дополнительный разряд батареи. Этот недостаток устранён в схеме тепловоза 2ТЭ116: СЗБ на этих тепловозах шунтировано диодом; через сопротивление проходит только ток заряда батареи, а разряд происходит через диод. На дизель-поездах ДР1 (всех индексов) шунтирование СЗБ при запуске осуществляет специально для этого предназначенный контактор КЗБ.

 

Рис.  Упрощённые схемы питания низковольтных цепей:

а – дизель-поезда, тепловоза с гидравлической передачей, тепловоза с электрической передачей постоянно-постоянного тока (М62); б – тепловоза с электрической передачей переменно-постоянного тока (2ТЭ116); АБ – аккумуляторная батарея; ПР – плавкий предохранитель; СЗБ – сопротивление заряда батареи; ДЗБ – диод заряда батареи; РУ11 – реле управления; РН – регулятор напряжения; ВГ – вспомогательный генератор; АМК – автоматический выключатель компрессора; КРН, КДК, КУДК – контакторы; К – электродвигатель компрессора; СТГ – стартер-генератор; Н1-Н2, С1-С2 – обмотки возбуждения

 

Характерные особенности питания низковольтных цепей тепловозов с передачей переменно-постоянного тока.

1.Такие тепловозы оборудуются тормозными компрессорами с электрическим приводом. Пуск электродвигателя компрессора 9К) на тепловозах 2ТЭ116 и ТЭП70 реостатный: сначала замыкается контактор КДК (на ТЭП70 – КТК2), контакт которого шунтирует балластное сопротивление. Замыканием и размыканием контакторов управляет несложная схема, включающая в себя реле давления сжатого воздуха в главных резервуарах, реле времени индукционного типа и промежуточное реле управления. Несколько сложнее схема безреостатного запуска компрессора на тепловозах ТЭМ7А: перед пуском и после остановки компрессора кратковременно отключается регулятор напряжения, после чего напряжение, подводимое к К падает почти до нуля (кроме того, часть тепловозов ТЭМ7А оборудована дополнительным компрессором, ЭД которого получает питание от высоковольтных цепей).

В любом случае электродвигатель компрессора соединяется непосредственно с плюсом СТГ: таким образом исключается возможность получения питания электродвигателем от АБ – этому препятствует ДЗБ, так как замыкание батареи через якорную цепь столь мощной машины, как К, привело бы к недопустимо глубокому её разряду и повреждению изоляции соединительных кабелей.

Цепь электродвигателя компрессора – единственная низковольтная цепь, которая может получать питание от СТГ и не может получать его от АБ. На дизель-поездах, оборудованных компрессором с механическим приводом (перевод такого компрессора в режим холостого хода осуществляется подачей воздуха к разгрузочным устройствам), имеется, в отличие от тепловозов с передачей постоянно-постоянного тока и с гидропередачей, электрическая схема управления компрессором: сжатый воздух к разгрузочным устройствам пропускает электропневматический вентиль. Такая конструкция обеспечивает возможность электрической синхронизации компрессоров головных вагонов, так как пневматическая синхронизация на дизель-поездах трудноосуществима ввиду удалённости компрессоров друг от друга и необходимости в большом количестве межвагонных пневматических соединений.

 2.Поскольку СТГ осуществляет проворот коленчатого вала при запуске дизеля, мощность его значительно больше мощности ВГ; на статоре СТГ укладывается пусковая обмотка последовательного возбуждения, которая обеспечивает возбуждение СТГ при провороте коленчатого вала. Сила тока в пусковой обмотке равна силе якорного тока и в процессе проворота быстро изменяется, в результате чего в обмотке независимого возбуждения наводится значительная трансформаторная ЭДС. Во избежание воздействия её на РН обмотка независимого Возбуждения подключается к РН только по окончании пуска. Для этих целей на тепловозах с передачей переменно-постоянного тока устанавливают не реле, а контактор регулятора напряжения (КРН).

3.На тепловозах и дизель-поездах имеются и иные цепи, гальванически не связанные с вышеописанными и друг с другом: цепи возбуждения тягового генератора и его возбудителя (часть этих цепей гальванически связана с низковольтными), цепь привода вентилятора холодильника дизеля (тепловозы ТГМ3 и т.п.), цепи отопления салонов (дизель-поезда ДР1) и т.д.